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Synthese und Charakterisierung neuartiger Materialien auf der Basis von Oxidnitriden des Tantals
Schilling, Heikko
In dieser Arbeit wird ein allgemeiner Syntheseweg zur Darstellung von dotierten Tantaloxidnitriden vorgestellt. Die entstandenen Verbindungen wurden durch Röntgen- und Neutronenpulverdiffraktometrie strukturell charakterisiert, wobei in-situ-Hoch-temperaturmessungen Aufschluss über ihre thermischen Eigenschaften geben. Ihre Zusammensetzungen wurden mittels Heißgasextraktion (N/O-Analyse) bestimmt, ihre optischen Eigenschaften anhand von UV/Vis-Spektren untersucht. Als geeigneter Syntheseweg erwies sich die Ammonolyse von röntgenamorphen Mischoxiden, welche durch eine Citrat-Gel-Methode bei niedrigen Temperaturen erhalten werden. Im System Y-Ta-O-N wurden Phasen der Zusammensetzungen YxTa1-x(O,N)y (0,15 ? x ? 0,5; y ? 1,9) mit kubischer Fluorit-Struktur gefunden. Aufgrund des hohen Gehaltes an Anionenleerstellen sind hier günstige Voraussetzungen für eine Anionen-Leitfähigkeit vorhanden. Im System Sc-Ta-O-N wurden kubische Phasen in der Bixbyit-Struktur (Raumgruppe ) gefunden, deren Zusammensetzungen zu ScxTa1-x(O,N)y (0,33 ? x ? 0,75; 1,7 ? y ? 1,9) bestimmt wurden. Phasen mit hohem Stickstoffanteil zeigen eine stark ausgeprägte Bixbyit-Überstruktur und kleinere Gitterparameter a. Die Struktur von Phasen mit geringem Stickstoffanteil nähert sich weitgehend dem Fluorit-Typ an und der Gitterparameter a nimmt größere Werte an. In den Systemen Mg-Ta-O-N und Sc-Ta-O-N wurden Phasen mit Anatas-Struktur der Zusammensetzungen Mg0,05Ta0,95O1,15N0,85 und Sc0,15Ta0,85O1,3N0,7 gefunden. Durch temperaturabhängige Röntgenbeugungsmessungen wurde festgestellt, dass beide Anatas-Phasen metastabil sind und sich thermisch zum Baddeleyit-Typ umwandeln lassen. Die Umwandlungstemperaturen liegen bei ca. 910°C für Mg0,05Ta0,95O1,15N0,85 und bei ca. 1000°C für Sc0,15Ta0,85O1,3N0,7. Ebenso findet die Phasenumwandlung druckinduziert statt. Beide Verbindungen zeigen leuchtende Farben: Mg0,05Ta0,95O1,15N0,85 orange und Sc0,15Ta0,85O1,3N0,7 gelb. Anhand von UV/Vis-Spektren wurden ihre Absorptionskanten zu 585 bzw. 560 nm bestimmt. Daraus ergeben sich elektronische Bandlücken von 2,1 eV bzw. 2,2 eV. Ta3N5 lässt sich in erheblichem Maße mit Mg/O und Sc/O dotieren. In das Kationengitter ließen sich bei gleichzeitigem Austausch von Nitridionen durch Oxidionen im Anionengitter 10 Kationen-% Mg bzw. 35 Kationen-% Sc einbauen. Die Auswirkung dieser Dotierung auf die optischen Eigenschaften wurde mittels UV/Vis-Spektroskopie untersucht. Im System Ta-O-N wurde eine bislang unbekannte Phase gefunden. Die ermittelte Struktur entspricht weitgehend der von VO2(B). Es handelt sich möglicherweise um eine neue Modifikation von TaON neben dem bekannten ?-TaON. Bei ca. 900°C findet eine Phasenumwandlung zu ?-TaON statt.
